《机床夹具设计》全套教案.doc

1 模块模块 1 机床夹具概述机床夹具概述 知识目标知识目标 机床夹具的基本概念 机床夹具的基本结构及其分类方法 机床夹具的发展方向 技能目标技能目标 掌握生产一线工件在机床夹具中的装夹方法 能够辨别生产一线常见的机床夹具类型 初步具备辨识常见机床夹具的能力 用来固定加工对象 使其处于正确位置 以接受加工或检测的装置 统称为夹具 它 广泛地应用于机械制造过程中 如焊接过程中用于拼焊的焊接夹具 零件检验过程中用的 检验夹具 装配过程中用的装配夹具 机械加工过程中用的机床夹具等 都属于这一范畴 在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具 机床夹具就是在机床上用以装夹工件 和 引导刀具 的一种装置 其作用是将工件定位 以使工件获得相对于机床和刀具的正确位 置 并把工件可靠地夹紧 在现代生产中 机床夹具是一种不可缺少的工艺装备 它直接 影响着零件加工的精度 劳动生产率和产品的制造成本等 本模块所讲述的仅限于机床夹 具 以后简称为夹具 任务描述任务描述 如图 1 1 所示为生产一线常见的钻床夹具示意图 试分析如何正确去使用该夹具 图 1 1 生产一线常见的钻床夹具示意图 1 钻模板 2 压紧螺母 3 压板 4 工件 5 长方形基础板 6 方形支撑 7 V 型块 任务分析任务分析 图 1 1 是生产一线常见的钻床夹具示意图 要正确使用该夹具 必须明确该夹具的基 本组成 工作原理 工作特性以及装夹方式 要想进一步了解并认识此夹具的设计过程及 其在生产中的作用 就要学习本模块的内容 任务引导任务引导 1 该钻床夹具在生产中有什么作用 2 该钻床夹具作为机床夹具的典型代表 其基本组成是什么 2 3 便于认识和更好的使用机床夹具 如何对机床的夹具进行分类 4 生产一线对机床夹具还有什么新的要求 5 在生产实习时 应对常见机床夹具的基本结构及其分析有所认识 知识准备知识准备 学习情境学习情境 1 1 机床夹具机床夹具 1 1 1 机床夹具的基本概念机床夹具的基本概念 工件在机床上进行加工时 为了保证其精度要求 工件的加工表面与刀具之间必须保 持一定的位置关系 机床夹具就是机床上用以装夹工件和引导刀具的一种装置 其作用是 将工件定位 以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置 并把工件可靠地夹紧 因此 工件必须借助于夹具占有正确位置 夹具是指夹持工件的工具 如卡盘 顶尖 平口钳等 刀具也必须借助于辅具使其保持一定位置 辅具是指夹持刀具的工具 如钻夹 头 丝锥夹头及刀夹等 如图 1 2 所示为丝锥夹头 图 1 2 丝锥夹头 1 1 2 机床夹具在机械加工中的作用机床夹具在机械加工中的作用 在机械加工中 工件通过定位元件在夹具中占有正确的位置 工件和夹具通过连接元 件在机床上占有正确位置 工件和夹具通过对刀元件相对于刀具占有正确位置 从而保证 了工件相对于机床位置正确 工件相对于刀具位置正确 最终保证工件的加工要求 因此 机床夹具在机械加工中应具有以下作用 1 能稳定地保证工件的加工精度能稳定地保证工件的加工精度 使用机床夹具来对工件定位 可以准确地确定工件与机床 刀具之间的相互位置 工 件的位置精度完全由夹具保证 不受工人技术水平的影响 使一批工件的加工精度趋于一 致 保证工件加工精度高且稳定 2 能减少辅助工时 提高劳动生产率能减少辅助工时 提高劳动生产率 由于机床夹具的存在 无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧 显著地减少了辅助工 时 用夹具装夹工件提高了工件的刚性 因此 可增大切削用量 可以使用多件 多工位 夹具装夹工件 并采用高效夹紧机构 这些因素均有利于提高劳动生产率 另外 采用夹 具后 产品质量稳定 废品率下降 可以安排技术等级较低的工人 明显降低了生产成本 3 能扩大机床的使用范围 实现能扩大机床的使用范围 实现 一机多能一机多能 根据加工机床的成形运动 附以不同类型的夹具 即可扩大机床原有的工艺范围 例 如 在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模 就可以进行箱体零件的镗孔加工了 4 能减轻工人的劳动强度能减轻工人的劳动强度 3 用夹具装夹工件方便 快速 当采用液压 气动等夹紧装置时 可减轻工人的劳动强 度 学习情境学习情境 1 2 机床夹具的分类及组成机床夹具的分类及组成 1 2 1 机床夹具的分类机床夹具的分类 在现代生产中 机床夹具是一种不可缺少的工艺装备 它直接影响着工件加工的精度 劳动生产率和产品的制造成本等 机床夹具的种类繁多 可以从不同的角度对它进行分类 常用的分类方法有以下几种 1 按使用范围分按使用范围分 根据夹具在不同生产类型中的通用特性 按使用范围分 机床夹具可分为通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具和随行夹具五大类 1 通用夹具 通用夹具是指已经标准化了的夹具 适用于不同工件的装夹 如三爪卡盘 四爪卡盘 平口钳 分度头和回转工作台等 如图 1 3 所示 这些夹具已经作为机床附件 可以充分 发挥机床的使用性能 因此 通用夹具使用范围广泛 无论是大批大量生产 还是单件小 批量生产都广泛地使用通用夹具 a 三爪卡盘 b 四爪卡盘 c 平口钳 c 分度头 d 回转工作台 图 1 3 常见通用夹具 2 专用夹具 专用夹具是指为加工某一零件 某一道工序专门设计的夹具 该夹具结构紧凑 针对 性强 使用方便 但设计制造周期长 制造费用高 需要库房保存 当产品变更时 专用 夹具常会因无法再用而 报废 因此 专用夹具只用在成批和大量生产中 3 可调夹具 可调夹具是把通用夹具和专用夹具相结合 通过少量零件的调整 更换以适应某些零 件加工的夹具 根据加工范围的宽窄 可调夹具可分为以下两种类型 1 通用可调夹具通用可调夹具指经调整 更换某些元件后可获得较宽加工范围的可 调夹具 2 专用可调夹具 专用可调夹具又称为成组夹具 是指经调整 更换某些元件后其 加工范围较窄的可调夹具 它是专门为成组加工工艺中某一组零件而设计制造的 可调夹具在多品种 中 小批工件的生产中被广泛采用 小提示小提示 可调夹具是由基本部分和可调部分组成的 基本部分即通用部分 它包括可调夹具是由基本部分和可调部分组成的 基本部分即通用部分 它包括 夹具体 动力装置和操纵机构 可调部分即专用部分 是为某些工件或某族工件专门设计夹具体 动力装置和操纵机构 可调部分即专用部分 是为某些工件或某族工件专门设计 4 的 它包括定位元件 夹紧元件和导向元件等 的 它包括定位元件 夹紧元件和导向元件等 4 组合夹具 组合夹具是指按某一工件的某道工序的加工要求 由一套事先准备好的通用标准元件 和组件组合而成的夹具 标准元件包括基础件 支承元件 定位元件 导向元件 夹紧元 件 紧固元件 辅助元件和组件八类 如图 1 4 所示 这些元件相互配合部分尺寸精度高 硬度高及耐磨性好 并有互换性 用这些元件组装的夹具用完之后可以拆卸存放 重新组 装新夹具时可再次使用 采用组合夹具可减轻专用夹具设计和制造的工作量 缩短生产准 备周期 具有灵活多变 重复使用的特点 因此 在多品种 单件小批量生产及新产品试 制中使用 图 1 4 组合夹具 5 随行夹具 随行夹具是适用于自动线上的一种移动式夹具 工件安装在随行夹具上 随行夹具由 自动线运输装置从一个工序运送到另一个工序 完成全部工序的加工 随行夹具用于形状 复杂且不规则 又无良好输送基面的工件中 一些有色金属的工件 虽具有良好的输送基 面 为了保护基面避免划伤 也采用随行夹具 2 按使用机床的类型分按使用机床的类型分 按使用机床的类型分 机床夹具可分为钻床夹具 铣床夹具 车床夹具 磨床夹具 镗床夹具 齿轮机床夹具等 如图 1 5 所示为钻铣床夹具 图 1 5 钻铣床夹具 3 按夹紧动力源分按夹紧动力源分 按夹紧动力源分 机床夹具可分为手动夹具 电磁夹具 液压夹具及气动夹具等 1 手动夹具 手动夹具是指以人力将工件定位和夹紧的夹具 如图 1 6 所示为手动虎钳夹具 5 图 1 6 快速虎钳手动夹具 2 电磁夹具 电磁夹具是指采用最新稀土永磁材料 应用现代磁路原理设计的新型夹具 其夹紧力 可达 15kgf cm 可用于黑色金属的各种切削加工 装夹方便并能充分暴露表面 如图 1 7 所示为电磁吸盘夹具 它主要用于平面磨床和数控加工中心 如图 1 8 所示为电磁吸盘夹 具在数控加工中心的应用 图 1 7 电磁吸盘夹具 图 1 8 电磁吸盘夹具在数控加工中心的应用 3 液压夹具 液压夹具是以液体压力将工件定位和夹紧的夹具 如图 1 9 所示 图 1 9 液压夹具 液压夹具主要用于大批量高精度产品的加工 它的主要特点是定位精度高 夹紧稳定 可靠 夹紧释放工件时间短 可缩短加工辅助时间 减少人为因素 提高机床效率 如图 1 10 所示液压夹具的应用 6 图 1 10 液压夹具的应用 4 气动夹具 气动夹具是用液压 气动元件代替机械零件实现对工件的定位 支撑与夹紧的专用夹 具 它主要在高效率 大批量 高精度的生产加工中使用 如图 1 11 所示 图 1 11 气动夹具 1 2 2 机床夹具的组成机床夹具的组成 机床夹具的种类和结构繁多 但它们一般是由定位元件 夹紧装置 对刀或导向元件 连接元件 其他装置或元件以及夹具体等部分组成 为了更好理解机床夹具的基本组成 下面以钻床夹具为例来说明 相关举例相关举例 例例 1 1 如图 1 12 所示为钻 6H9mm 径向孔的钻床夹具 试分析该夹具的基本组成及 各组成部分的作用 7 图 1 12 钻 6H9 径向孔的钻床夹具 1 快换钻套 2 衬套 3 钻模板 4 开口垫圈 5 螺母 6 定位销 7 夹具体 分析如下 分析如下 本工序 工艺过程的基本单元 要求在轴套零件上按尺寸 6H9 加工 并保证所钻孔的 轴线与工件内孔的中心线垂直相交 工件分别以内孔及端面在定位销 6 及其端面支承上定 位 用开口垫圈 4 和螺母 5 夹紧工件 快换钻套 1 用来导引钻头 所有的元件和装置都在 夹具体 7 上 夹具在立式钻床上的位置 可通过先找正主轴上装夹的钻头与钻套的位置 然后把其紧固在工作台上 例例 1 2 如图 1 13 所示为铣销轴端槽的夹具 试分析该夹具的基本组成及各组成部分 的作用 图 1 13 铣销轴端槽的夹具 1 V 形块 2 定位套 3 手柄 4 定位键 5 夹具体 6 对刀块 分析如下 分析如下 本工序要求保证槽宽 槽深和槽两侧面对轴心线的对称度 工件分别以外圆和一端面 在 V 形块 1 和定位套 2 上定位 转动手柄 3 偏心轮推动活动 V 形块夹紧工件 夹具以夹 具体 5 的底面及安装在夹具体上的两个定位键 4 与铣床工作台面 T 形槽配合 并固定在 机床工作台面上 这样夹具相对于机床占有确定的位置 然后通过对刀块 6 及塞尺调整刀 8 具位置 使刀具相对于夹具占有确定的位置 所有的元件和装置都装在夹具体 5 上 一般的专用夹具由以下几部分组成 1 定位元件定位元件 定位元件是用来确定工件在夹具中位置的元件 见图 1 12 中的定位销 6 以及图 1 13 中的 V 形块 1 和定位套 2 2 夹紧装置夹紧装置 夹紧装置是用来夹紧工件 使其保持在正确的定位位置上的装置 见图 1 12 中的开口 垫圈 4 和螺母 5 以及图 1 13 中的 V 形块 1 和手柄 3 3 对刀或导向元件对刀或导向元件 对刀或导向元件是用来确定刀具位置或引导刀具方向的元件 用于确定刀具在加工前 正确位置的元件称为对刀元件 见图 1 13 中的对刀块 6 用于确定刀具位置并引导刀具进 行加工的元件称为导向元件 见图 1 12 中的快换钻套 l 4 连接元件连接元件 连接元件是用来确定夹具和机床之间正确位置的元件 见图 1 13 中的定位键 4 5 其他装置或元件其他装置或元件 其他装置和元件如分度装置 为便于卸下工件而设置的顶出器 动力装置的操作系统 夹具起吊和搬运用的起重螺栓和起重吊环等 6 夹具体夹具体 夹具体是将上述装置和元件连成整体的基础件 见图 1 12 中的夹具体 7 和图 1 13 中 的夹具体 5 小提示小提示 若需加工按一定规律分布的多个表面 常设置分度装置 为了能方便 准若需加工按一定规律分布的多个表面 常设置分度装置 为了能方便 准 确地定位 常设置预定位装置 对于大型夹具常设置吊装元件等 确地定位 常设置预定位装置 对于大型夹具常设置吊装元件等 知识拓展知识拓展 机床夹具各组成部分的关系机床夹具各组成部分的关系 机床夹具的各部分之间既相互独立又相互联系 为了更好理解机床夹具各组成部分的 关系 图示加以说明 如图 1 14 所示可以看到被加工件通过夹紧装置进行固定的 整个夹 具体通过连接元件与机床工作台连接 加工过程中 刀具通过对刀或导向元件进行准确定 位 因此 机床夹具的各部分之间既相互独立又相互联系 图 1 14 夹具的组成及各组成部分与机床工件刀具的相互关系 学习情境学习情境 1 3 工件在机床中的装夹方法工件在机床中的装夹方法 1 3 1 工件装夹的概念工件装夹的概念 工件在开始加工前 首先必须使工件在机床上或夹具中占有某一正确的位置 这个过 程称为定位 为了使定位好的工件在切削力的作用下不发生位移 使其在加工过程始终保 持正确的位置 还需将工件压紧夹牢 这个过程称为夹紧 定位和夹紧的整个过程合起来 称为装夹 工件的装夹不仅影响加工质量 而且对生产率 加工成本及操作安全都有直接 影响 9 1 3 2 找正装夹方式找正装夹方式 1 直接找正安装直接找正安装 直接找正安装是用划针或百分表等直接在机床上找正工件的位置 如图 1 15 a 所示 为在磨床上磨削一个与外圆表面有同轴度要求的内孔 加工前将工件装在四爪盘上 用百 分表直接找正外圆 使工件获得正确的位置 又如图 1 15 b 所示为在牛头刨床上加工 一个与工件底面 右侧面有平行度要求的槽 用百分表找正工件的右侧面 可确定工件的 位置 而槽与底面的平行度则由机床的几何精度来保证 a b 图 1 15 直接找正安装 直接找正安装的精度和工作效率 取决于要求的找正精度 所采用的找正方法 所使 用的找正工具和工人的技术水平 此法的缺点是费时较多 因此 一般只适用于工件批量 用夹具不经济或工件定位精度要求特别高 采用专用夹具也不能保证 只能用精密量具直 接找正定位的场合 小提示小提示 直接找正法生产率低 对工人技术水平要求高 一般用于单件 小批量生直接找正法生产率低 对工人技术水平要求高 一般用于单件 小批量生 产中 产中 2 划线找正安装划线找正安装 对形状复杂的工件 因毛坯精度不易保证 若用直接找正很难使工件上各个加工面都 有足够和比较均匀的加工余量 若先在毛坯上划线 然后按照所划的线来找正安装 则能 较好地解决这些矛盾 如图 1 16 所示 此方法要增加划线工序 定位精度也不高 因此 多用于批量小 零件形状复杂 毛坯制造精度较低的场合 以及大型铸件和锻件等不宜使 用专用夹具的粗加工中 图 1 16 划线找正安装 小提示小提示 划线找正法生产率低 精底低 且对工人技术水平要求高 一般用于单件 划线找正法生产率低 精底低 且对工人技术水平要求高 一般用于单件 小批量生产中加工复杂而笨重零件 或毛坯尺寸公差大而无法直接用夹具装夹的场合 小批量生产中加工复杂而笨重零件 或毛坯尺寸公差大而无法直接用夹具装夹的场合 1 3 3 夹具装夹方式夹具装夹方式 用专用夹具安装可使工件在夹具中定位并夹紧 不需要进行找正 此方法安装精度较 高 而且装卸方便 可以节省大量辅助时间 但制造专用夹具成本高 周期长 因此 适 用于成批和大量生产 为了更好理解夹具装夹方式 以钻后盖零件上孔的加工找正为例来 说明夹具装夹方式 小提示小提示 用夹具装夹工件生产率高 定位精度高 但需要设计 制造专用夹具 用夹具装夹工件生产率高 定位精度高 但需要设计 制造专用夹具 10 相关举例相关举例 例例 1 3 如图 1 17 所示 成批生产中 钻后盖零件上 10mm 的孔 保证 10mm 孔的 中心线距后盖零件后端面的距离为 18 0 1 mm 10mm 孔的中心线与 30mm 孔的中心 线垂直 10mm 孔的中心线与其下面的 5 8mm 孔的中心线在同一平面上 试分析该零件 在钻床夹具上的装夹过程 图 1 17 钻后盖零件上 10 mm 的孔 分析如下 分析如下 加工 10mm 孔的钻床夹具示意图如图 1 18 所示 10mm 孔径尺寸由刀具 钻头 自 身的尺寸保证 10mm 孔的中心线距后盖零件后端面的距离 18 0 1 mm 由支承板 4 保 证 10mm 孔的中心线与 30mm 孔的中心线垂直由钻套 1 和圆柱销 5 共同保证 10mm 孔的中心线与其下面的 5 8mm 孔的中心线在同一平面上由菱形销 9 保证 加工时 拧紧 螺母 7 以实现定位 松开螺母 7 拿开开口垫圈 6 以实现快速更换工件 图 1 18 加工 10 mm 孔的钻床夹具示意图 1 钻套 2 钻模板 3 夹具体 4 支承板 5 圆柱销 6 开口垫圈 7 螺母 8 螺杆 9 菱形销 通过例题 1 3 我们不难看出使用专用夹具装夹工件有如下优点 1 保证工件加工精度 使用专用夹具装夹工件时 工件相对于刀具及机床的位置精 度由专用夹具保证 不受工人技术水平的影响 使一批工件的加工精度趋于一致 2 提高劳动生产率 使用专用夹具装夹工件方便 快速 工件不需要划线找正 可 显著地减少辅助工时 提高劳动生产率 工件在专用夹具中装夹后提高了工件的刚性 因 此 可增大切削用量 提高劳动生产率 可使用多件 多工位装夹工件的夹具 并可采用 11 高效夹紧机构 进一步提高劳动生产率 3 扩大机床的使用范围 在通用机床上采用专用夹具可以扩大机床的工艺范围 充 分发挥机床的潜力 达到一机多用的目的 例如 使用专用夹具可以在普通车床上很方便 地加工小型壳体类工件 甚至在车床上拉出油槽 减少了昂贵的专用机床 降低了成本 这对中 小型工厂尤为重要 4 改善了操作者的劳动条件 由于液压 气动 电磁等动力源在夹具中的应用 一 方面减轻了工人的劳动强度 另一方面也保证了夹紧工件的可靠性 并能实现机床的互锁 避免事故 保证了操作者和机床设备的安全 5 降低了成本 在批量生产中使用专用夹具后 由于劳动生产率的提高 使用技术 等级较低的工人以及废品率下降等原因 明显地降低了生产成本 专用夹具制造成本分摊 在一批工件上 每个工件增加的成本是极少的 工件批量越大 使用专用夹具所取得的经 济效益就越显著 小提示小提示 专用夹具也有其弊端 如设计制造周期长 因工件直接装在夹具体中 不专用夹具也有其弊端 如设计制造周期长 因工件直接装在夹具体中 不 需要找正工序 因此 对毛坯质量要求较高 所以专用夹具主要适用于生产批量较大 产需要找正工序 因此 对毛坯质量要求较高 所以专用夹具主要适用于生产批量较大 产 品品种相对稳定的场合 品品种相对稳定的场合 学习情境学习情境 1 4 机床夹具的现状与发展趋势机床夹具的现状与发展趋势 1 4 1 机床夹具的现状机床夹具的现状 机床夹具最早出现在 18 世纪后期 随着科学技术的不断进步 机床夹具已从一种辅助 工具发展成为门类齐全的工艺装备 国际生产研究协会的统计表明 目前中 小批量多品种生产的工件已占工件种类总数 的 85 左右 现代生产要求企业所制造的产品经常更新换代 以适应市场的需求与竞争 然而 一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具 一般在具有中等生产能力的工厂里 约拥有数千甚至近万套专用夹具 另一方面 在多品种生产的企业中 每隔 3 4 年就要更 新 50 80 左右的专用夹具 而夹具的实际磨损量仅为 10 20 左右 特别是近年来 数控机床 加工中心 成组技术 柔性制造系统 FMS 等新加工技术的应用 对机床夹 具提出了如下新的要求 1 能迅速而方便地装备新产品的投产 以缩短生产准备周期 降低生产成本 2 能装夹一组具有相似性特征的工件 3 能适用于精密加工的高精度机床夹具 4 能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具 5 采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置 以进一步减轻劳动强度和提高劳动生 产率 6 提高机床夹具的标准化程度 1 4 2 机床夹具的发展趋势机床夹具的发展趋势 机床夹具的发展趋势主要表现为标准化 精密化 高效化和柔性化等四个方面 1 标准化标准化 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面 目前我国已有机床夹具零件及部 件技术要求的行业标准 JB T8044 1999 及各类通用夹具 组合夹具的标准等 机床夹 具的标准化有利于夹具的商品化生产 有利于缩短生产准备周期 降低生产总成本 2 精密化精密化 随着机械产品精度的日益提高 势必相应提高了对夹具的精度要求 精密化夹具的结 12 构类型很多 例如 用于精密分度的多齿盘 其分度精度可达 0 1 用于精密车削的高 精度三爪自定心卡盘 其定心精度为 5 m 3 高效化高效化 高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间 以提高劳动生产率 减轻 工人的劳动强度 常见的高效化夹具有自动化夹具 高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具 等 例如 在铣床上使用电动虎钳装夹工件 效率可提高 5 倍左右 在车床上使用高速三 爪自定心卡盘 可保证卡爪在试验转速为 9000r min 的条件下仍能牢固地夹紧工件 从而 使切削速度大幅度提高 目前 除了在生产流水线 自动线配置相应的高效 自动化夹具 外 在数控机床上 尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具 的装置 充分发挥了数控机床的效率 4 柔性化柔性化 一般机械制造装备的柔性化有两重含义 即产品结构柔性化和功能柔性化 1 产品结构柔性化 产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术 只需对结构 做少量的重组和修改 或修改软件 就可以快速推出满足市场需求的 具有不同功能的新 产品 2 功能柔性化 功能柔性化是指只需进行少量的调整或修改软件 就可以方便地改变产品或系统的运 行功能 以满足不同的加工需要 如数控机床 柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性 化程度 柔性制造系统中 不同工件可以同时上线 实现混流加工 这里所讲的机床夹具柔性化主要是指机床夹具的结构柔性化 即指机床夹具设计时采 用可调或成组技术和计算机软件技术 系统 只需对结构做少量的重组 调整和修改 或 修改软件 就可以快速地推出满足不同工件或相同工件的相似工序加工要求的夹具 可调夹具 成组夹具 组合夹具由于其柔性较好 为企业在保证产品质量 满足用户 的不同要求 大大缩短生产周期需要的同时 从单一品种的生产成为多品种 小批量生产 的需要 近年来得到快速发展 尤其是可调整机床夹具逐步成为机床夹具设计中的一个发 展趋势 随行夹具由于其特有的适用于自动线或柔性制造系统的功用 因此 成为整个柔性制 造系统发展中的一个研究内容 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似 它是指机床夹具通过调整 组合等方式 以 适应工艺可变因素的能力 工艺的可变因素主要有 工序特征 生产批量 工件的形状和 尺寸等 具有柔性化特征的新型夹具种类主要有 组合夹具 通用可调夹具 成组夹具 模块化夹具 数控夹具等 为适应现代机械工业多品种 中 小批量生产的需要 扩大机 床夹具的柔性化程度 改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构 发展可调夹具结构 将是 当前机床夹具发展的主要方向 学习情境学习情境 1 5 本课程研究的内容 性质及任务本课程研究的内容 性质及任务 机床夹具设计 是高等职业院校机械类专业的必修课 在教学培养计划中一般作为 主要的专业课 总是安排在学生毕业前的 1 2 个学期开设 此前开设的基础课程和专业技 术课程都将直接在本门课程中得到应用 机床夹具也是学生毕业设计的主要课题 是体现 学生专业能力的重要课程 在机制专业的课程设置中占有重要的地位 1 5 1 课程内容课程内容 本书涵盖以下几方面内容 13 1 机床夹具的基本概念 包括 机床夹具的分类及组成 工件在机床夹具中的定位 以及机床夹具现状与发展趋势 2 工件在夹具中的定位基准的概念 定位的基本原理 定位单个典型表面的定位元 件 组合定位中各定位元件限制自由度分析 定位误差的分析计算 3 夹紧装置的组成和基本要求 设计夹紧装置的基本准则 常见的典型夹紧机构包 括 铰链夹紧机构 联动夹紧机构及定心夹紧机构等 4 典型机床夹具包括 车床夹具 铣床夹具 钻床夹具 镗床夹具 5 专用夹具的设计方法包括 夹具设计的要求 方法和设计步骤 夹具总装配图上 尺寸 公差配合与技术要求的标注及夹具的制造等特点 6 现代机床夹具包括 随行夹具 通用可调夹具 成组夹具 组合夹具及数控机床 夹具等 1 5 2 课程性质及任务课程性质及任务 按照机床夹具设计课程教学的基本要求 这是最后一个重要的教学环节 也是对学生 进行一次较全面的设计能力的训练 该课程的任务包括以下几个方面 1 综合运用机械制造技术及其他有关先修课程 如 机械制图 公差配合与测量 技术 金属材料与热处理 工程力学 等的理论和生产实际知识进行机床夹具设计训 练 使理论和实际结合起来 使这些知识得到进一步巩固 加深和拓展 2 学习和理解机床夹具设计的一般步骤和方法 培养设计能力和解决实际问题的能 力 3 进行机床夹具设计基本技能的训练 对计算 制图 运用设计资料 如手册 图 册 技术标准 规范等 以及进行经验估算等基本技能得到一次综合训练 提高技能水平 情景模拟情景模拟 如图 1 19 所示为加工垫片上 300 mm 孔的零件图 请同学们应用本模块所学过的知识 从机床夹具应用的角度出发 构建该零件上孔的加工机床夹具基本框架方案 小提示小提示 可以从机床夹具的类型 孔类夹具的基本组成 机床夹具的找正方法等方可以从机床夹具的类型 孔类夹具的基本组成 机床夹具的找正方法等方 面考虑 面考虑 图 1 19 加工垫片上 300 mm 孔的零件图 模块模块 2 工件在夹具中的定位工件在夹具中的定位 知识目标知识目标 工件在夹具中的定位基本原理和定位基准 14 常用的定位元件的结构特点及应用 工件在夹具中的定位误差分析与计算 常见定位装置设计原则和基本思路 技能目标技能目标 掌握基准不重合误差和基准位移误差的概念及原理 掌握典型零件表面常用的定位方法及其定位元件的特点 初步具备基本定位装置的设计能力 在机械加工中 要加工出合格的机械零件 工件在机床上与夹具 刀具必须保持正确 的加工位置 在此过程中 工件的正确定位显得尤为重要 工件定位是指工件在机床或夹 具中取得一个正确的加工位置的过程 怎样才算工件 取得一个正确的加工位置 以及工 件定位时遇到的 定位元件选取和定位误差分析 等实际问题是本模块要讲的主要内容 任务描述任务描述 如图 2 1 所示零件的工序图 钻 扩 铰 9H7mm 孔 其余表面均已加工 根据加工 要求 设计一套完整的定位装置 图 2 1 钻 扩 铰 9H7 孔的工序图 任务分析任务分析 图 2 1 为钻 扩 铰 9H7 孔的工序图 要想设计一套完整的定位装置 首先考虑图上 所有工序尺寸的设计基准可定位性 如果设计基准和定位基准重合 那么误差分析就简单 多啦 其次分析该工件定位面的形式 圆柱面 平面等 尽量选择标准的定位元件 这样 大大减少定位装置设计的工作量 任务引导任务引导 1 了解该工件的工艺特点 选择正确的定位方案 2 根据该工件的几何表面性质 确定工序基准 定位基准 测量基准及装配基准等 3 定位方案设计的基本原则是什么 定位元件的要求是什么 4 常用定位元件有哪些 如何正确地选取定位元件 5 如果出现定位误差 如何进行分析和计算 6 根据定位装置设计的基本原则 确定该工件的定位装置的设计思路 知识准备知识准备 15 学习情境学习情境 2 1 工件定位的基本原理工件定位的基本原理 2 1 1 工件的自由度工件的自由度 由 工程力学 中刚体运动的规律可知 在空间一个自由刚体有且仅有六个自由度 如图 2 2 所示的工件 它在空间的位置是任意的 即既能沿 x y z 三个坐标轴移动 称 为移动自由度 分别表示为 又能绕 x y z 三个坐标轴转动 称为转动自由度 分别表示为 图 2 2 工件的六个自由度 2 1 2 六点定位原理六点定位原理 1 六点定位原理的概念六点定位原理的概念 由上述介绍可知 如果要使一个自由刚体在空间有一个确定的位置 就必须设置相应 的六个约束 分别限制刚体的六个运动自由度 在讨论工件的定位时 工件就是我们所指 的自由刚体 如果工件的六个自由度都加以限制了 工件在空间的位置也就完全被确定下 来了 小提示小提示 定位实质上就是限制工件的自由度 分析工件定位时 通常是用一个支承点限制工件的一个自由度 合理设置六个支承点 限制工件的六个自由度 使工件在夹具中的位置完全确定 这就是六点定位原理 例如 在如图 2 3 a 所示的矩形工件上铣削半封闭式矩形槽时 如图 2 3 b 所示 可以设想 有六个支撑点分布在三个互相垂直的坐标平面内 在其底面设置三个不共线的支承点 1 2 3 限制工件的三个自由度 在其侧面设置两个支承点 4 5 限制工件x yz 的两个自由度 在其端面设置一个支承点 6 限制工件的一个自由度 于是工件x z y 的六个自由度全部被限制了 实现了六点定位 如图 2 3 c 所示 设置了六个支承钉 在具体的夹具中 支承点是由定位元件来体现的 zyx zyx 16 a 零件 b 定位分析 c 支承点位置 图 2 3 六点定位 2 工件定位的几种情况工件定位的几种情况 1 完全定位与不完全定位 工件的 6 个自由度全部被限制而在夹具中占有完全确定的唯一位置 称为完全定位 如图 2 4 所示 在某长方体工件上加工一个不通孔 为满足所有加工要求 必须限制工件 的 6 个自由度 这就是完全定位 a 工件 b 定位设计 图 2 4 完全定位 小提示小提示 在夹具的实际结构中 定位支承点是通过具体的定位元件体现的 即支承 点不一定用点或销的顶端 而常用面或线来代替 由于两点决定一条直线 三点决定一个 平面 即一条直线可以代替两个支承点 一个平面可以代替三个支承点 因而在具体应用 时 还可用窄长的平面代替直线 用较小的平面代替点 没有全部限制工件的 6 个自由度 但也能满足加工要求的定位 称为不完全定位 如 图 2 5 a 所示为铣削工件的台阶面 为保证两个加工尺寸 Y 和 Z 和台肩平行的底面和 侧面只需限定 五个自由度即可 如图 2 5 b 所示为磨削工件的顶面 y z x yz 为保证一个加工尺寸 Z 仅需限制 三个自由度即可 像这种根据加工的技术要x yz 求 没有完全限制六个自由度的定位都属于不完全定位 图 2 5 不完全定位 小提示小提示 为了便于承受切削力 夹紧力或为了保证一批工件的进给长度一致 有时 将无加工要求的自由度也加以限制 2 欠定位与过定位 根据加工要求 工件必须限制的自由度没有达到全部限制的定位 称为欠定位 欠定 位必然导致无法正确保证工序所规定的加工要求 如图 2 6 所示 铣削某轴的不通槽时 17 只限制了工件的 4 个自由度 应该约束的自由度未被限制 故加工出来的槽的长度尺寸无 法保证一致 因此 欠定位是不允许的 图 2 6 欠定位 工件在夹具中定位时 若几个定位支承点重复限制同一个或几个自由度 称为过定位 过定位是否允许 应根据工件的不同加工情况进行具体分析 一般地 当工件以未加工表 面为位基准时 不允许采用过定位 而以已加工过的或精度高的毛坯表面作为定位基准时 为了提高工件定位的稳定性和刚度 在一定条件下允许采用过定位 如图 2 7 所示 铣削 某矩形工件的上表面时 工件以地面作为定位基准 图 2 7 铣削矩形工件的定位分析 当设置 3 个定位支承点时 见图 2 7 a 属于不完全定位 是合理方案 当设置 4 个 定位支承点时 见图 2 7 b 属于过定位 小提示小提示 若地面粗糙或是 4 个定位支承点不在同一平面上 实际只有 3 个点接触 将造成工件定位的位置不定或一批工件定位位置不一致 是不合理方案 若底面已加工过 保证 4 个定位支承点在同一平面上 则一批工件在夹具中的位置基本一致 增加的定位支 承点可使工件定位更加稳定 更有利于保证工件的加工精度 是合理方案 如果重复限制 相同自由度的定位支承点之间存在严重的干涉和冲突 以致造成工件或夹具的变形 从而 明显影响定位精度 这样的过定位必须严禁采用 3 应用六点定位原理应注意的问题应用六点定位原理应注意的问题 应用六点定位原理实现工件在夹具中的正确定位时 应注意以下几点 1 设置三个定位支承点的平面限制一个移动自由度和两个转动自由度 称为主要定 位面 工件上选作主要定位的表面应力求面积尽可能大些 而三个定位支承点的分布应尽 量彼此远离和分散 绝对不能分布在一条直线上 以承受较大外力作用 提高定位稳定性 2 设置两个定位支承点的平面限制两个自由度 称为导向定位面 工件上选作导向 定位的表面应力求面积狭而长 而两个定位支承点的分布在平面纵长方向上应尽量彼此远 离 绝对不能分布在平面窄短方向上 以使导向作用更好 提高定位稳定性 3 设置一个定位支承点的平面限制一个自由度 称为止推定位面或防转定位面 究 竟是止推作用还是防转作用 要根据这个定位支承点所限制的自由度是移动的还是转动的 18 而定 4 一个定位支承点只能限制一个自由度 5 定位支承点必须与工件的定位基准始终贴紧接触 一旦分离定位支承点就失去了 限制工件自由度的作用 6 工件在定位时需要限制的自由度数目以及究竟是限制哪几个自由度 完全由工件 该工序的加工要求所决定 应该根据实际情况进行具体分析 合理设置定位支承点的数量 和分布情况 7 定位支承点所限制的自由度 原则上不允许重复或相互矛盾 相关举例相关举例 例例 2 1 如图 2 8 a 和图 2 8 b 所示为加工连杆小头孔的两种定位方案 试分析 两种定位方案限制工件自由度的数目是否合理 并说明原因 图 2 8 连杆定位分析 1 短圆柱销 1 长圆柱销 2 平面支承 3 档销 解解 1 方案 a 合理 平面支承 2 限制了 三个自由度 短圆柱销 1 限z x y 制了 两个自由度 档销 3 限制了一个自由度 从而实现完全定位 因此 此定位x y z 方案限制工件自由度的数目合理 2 方案 b 不合理 平面支承 2 限制了 三个自由度 长圆柱销 1 限制z x y 了 四个自由度 档销 3 限制了一个自由度 从而导致 两个自由度x y x yz x y 重复限制 小提示小提示 方案 b 不合理 造成后果是 当工件夹紧后 使连杆产生弹性变形 如 图 2 8 c 所示 加工完后松开夹紧力 工件变形恢复 就会使加工表面形成严重的位置 误差或形状误差 学习情境学习情境 2 2 工件的定位基准工件的定位基准 2 2 1 基准概念及分类基准概念及分类 在零件的设计和制造过程中 要确定零件上点 线 面的位置 必须以一些指定的点 线 面作为依据 这些作为依据的点 线 面称为基准 基准按作用的不同 常分为设计 19 基准和工艺基准两类 1 设计基准设计基准 设计基准是指设计时在零件图样上所使用的基准 如图 2 9 所示 齿轮内孔 外圆和 分度圆的设计基准是齿轮的轴线 齿轮两端面可认为是互为基准 又如图 2 10 所示 机座 表面 2 3 和孔 4 轴线的设计基准是机座表面 1 孔 5 轴线的设计基准是孔 4 的轴线 图 2 9 齿轮设计基准选择示意图 图 2 10 机座设计基准选择示意图 2 工艺基准工艺基准 工艺基准是指在制造零件和装配机器的过程中所使用的基准 工艺基准又分为工序基 准 定位基准 测量基准和装配基准 它们分别用于工序图中工序尺寸的标注 工件加工 时的定位 工件的测量检验和零件的装配 1 工序基准 工序基准在工序图上 用以标定被加工表面位置的点 线 面称为工 序基准 所标注的加工面的位置尺寸是工序尺寸 即工序尺寸的设计基准 如图 2 11 所示 铣平面 C 则平面 M 是平面 C 的工序基准 尺寸 C C 是工序尺寸 图 2 11 工序基准 2 定位基准 加工时确定零件在机床或夹具中位置所依据的那些点 线 面称为定 位基准 即确定被加工表面位置的基准 例如 车削图 2 9 中的齿轮轮坯的外圆和下端面 时 若用已经加工过的内孔将工件安装在心轴上 则孔的轴线就是外圆和下端面的定位基 准 小提示小提示 工件上作为定位基准的点或线 总是由具体表面来体现的 这个表面称为 定位基准面 例如 图 2 9 中的齿轮内孔的轴线 并不具体存在 而是由内孔表面来体现 的 确切地说 内孔是加工外圆和左端面的定位基准面 3 测量基准 被加工表面的尺寸 位置所依据的基准称为测量基准 如图 2 12 所示 20 图 2 12 测量基准 1 测量基准 4 装配基准 装配基准在装配时 确定零件位置的点 线 面称为装配基准 即装 配中用来确定零件 部件在机器中位置的基准 如图 2 13 所示 锥齿轮 1 的装配基准是内 孔及端面 轴 2 的装配基准是中心线及端面 轴承 3 的装配基准是轴承中心线及端面 装 配基准一般与设计基准重合 图 2 13 装配基准 1 齿轮 2 轴 3 轴承 4 螺钉 5 隔圈 小提示小提示 一般情况下 设计基准是在图样上给定的 定位基准是工艺人员根据不同 的工艺顺序与装夹方法确定的 即可以选出不同的定位基准 正确地选择定位基准是制定 工艺规程的主要内容之一 也是夹具设计的前提 2 2 2 定位基准的选择定位基准的选择 合理地选择定位基准 对于保证加工精度和确定加工顺序都有决定性的影响 在最初 的每一道工序中 只能用毛坯上未经加工的表面作为定位基准 这种定位基准称为粗基准 经过加工的表面所组成的定位基准称为精基准 1 粗基准的选择粗基准的选择 选择粗基准时一般应注意以下几点 1 选择不加工表面作为粗基准 可以保证加工表面与不加工表面之间的相互位置精 度 例如 如图 2 14 a 所示的零件 可以选择外圆柱面和左端面作为粗基准 这样既可 以保证内外圆同轴 壁厚均匀 又保证定位尺寸 L 2 若工件必须保证某个重要表面加工余量均匀 则应选择该表面作为粗基准 例如 车床床身的导轨面是重要表面 要求硬度高而均匀 希望加工该表面时只切去一小层均匀 的余量 使其表面保留均匀的金相组织 具有较高且一致的物理力学性能 以增加导轨的 耐磨性 故应先以导轨面作为粗基准加工床腿底平面 如图 2 14 b 所示 然后以床腿 底平面作为精基准加工导轨面 如图 2 14 c 所示 21 图 2 14 粗基准的选择 3 选作粗基准的表面应尽可能平整光洁 无飞边 毛刺等缺陷 使定位准确 夹紧 可靠 4 粗基准原则上只能用一次 因粗基准本身都是未经加工的表面 精度低 粗糙度 数值大 若在不同工序中重复使用同一方向的粗基准 则不能保证被加工表面之间的位置 精度 2 精基准的选择精基准的选择 精基准的选择应有利于保证加工精度 具体选择时可参考下列原则 1 基准重合原则 基准重合原则是指尽量选择设计基准作为定位基准 以避免基准 不重合误差 如图 2 15 所示的零件 其设计尺寸为 l1 l2 若以零件表面 B 作为定位基准 同时还要以底面定位 铣零件表面 C 这时定位基准与设计基准重合 可直接保证设计尺 寸 l1 若以零件表面 A 作为定位基准 同样还要以底面定位 铣零件表面 C 这时定位基准 与设计基准不重合 只能直接保证定位尺寸 l 而设计尺寸 l1 是通过尺寸 l2和 l 来间接保 证的 尺寸 l1的精度取决于尺寸 l2和 l 的精度 小提示小提示 尺寸 l2的误差即为定位基准 A 与设计基准 B 不重合而产生的误差 称为基 准不重合误差 它将影响尺寸 l1的加工精度 2 基准统一原则 基准统一原则是指在尽可能多的工序中选用相同的精基准定位 这样便于保证不同工序中所加工的各表面之间的相互位置精度 并能简化夹具的设计与制 造工作 如轴类零件常用两个顶尖孔作为统一精基准 箱体类零件常用一面两孔作为统一 精基准等 3 互为基准原则 互为基准原则是指互为基准 反复加工 如精密齿轮高频淬火后 齿面的淬硬层较薄 可先以齿面作为精基准磨内孔 再以内孔作为精基准磨齿面 这样可 以保证齿面切去小而均匀的余量 4 自为基准原则 某些精加工或光整加工工序中要求余量小而均匀 可选择加工表 面本身作为精基准 例如 磨削床身导轨面时可先用百分表找正导轨面 然后进行磨削 可以获得均匀的余量 如图 2 16 所示 导轨面本身既定位面 又是进行精加工或光整加工 的精基准 22 图 2 15 基准重合举例 图 2 16 自为基准举例 此外 还要求所选精基准能保证工件定位准确可靠 装夹方便 夹具结构简单 小提示小提示 上述定位基准的选择原则常常不能全都满足 甚至会互相矛盾 如基准统 一 有时就不能基准重合 故不应生搬硬套 必须结合具体情况 灵活应用 3 定位基准选择实例定位基准选择实例 现需加工如图 2 17 所示的轴承座 其机械加工工艺过程见表 2 1 表中列出各工序的 定位基准以及选择定位基准的依据 图 2 17 轴承座 表 2 1 轴承座机械加工工艺过程 工序号工序内容设备 定位基准 括弧内数字 为限制自由度数 简述原因 10铣底面铣床 粗基准为 40mm 外圆及 底面侧面 保证不加工面 40mm 外 圆 与加工面 底面 的 位置精度 20 车端面 钻 车 25H7mm 孔 车床 精基准为底面及 40mm 外圆侧面 基准重合 即定位基准与 设计基准重合 30车另一端面车床 25H7 孔基准重合 40 钻 3 9mm 锪 14mm 孔 钻床底面及底面边侧基准重合 23 小提示小提示 粗基准可以用划线基准体现 例如 表 2 1 中在工序 10 前安排划线工序 以 40mm外圆的轴线作为基准 划出底面加工线 在工序 10 中按线加工底面 则可以认 为划线基准 40mm外圆的轴线 是粗基准 学习情境学习情境 2 3 常用的定位元件常用的定位元件 工件在夹具中定位时除了正确应用六点定位原理和合理选择定位基准外 还要合理选 择定位元件 各类定位元件结构虽然各不相同 但在设计时应满足以下共同要求 1 应有足够的精度 定位元件具有足够的精度 才能保证工件的定位精度 2 应有较好的耐磨性 定位元件的工作表面经常与工件接触和摩擦 容易磨损 因 此 要求定位元件工作表面的耐磨性要好 以保持夹具的使用寿命和定位精度 3 应有足够的强度和刚度 定位元件在加工过程中 受工件重力 夹紧力和切削力 的作用 因此 要求其有足够的强度和刚度 避免使用中变形和磨损 4 应有较好的结构工艺性 定位元件应力求结构简单 合理 便于制造 装配 更 换及排屑 在机械加工中 虽然被加工工件的种类繁多 形状各异 但从它们的基本结构来看 不外乎是由平面 圆柱面 圆锥面及各种成形面组成的 工件在夹具中定位时 可根据各 自的结构特点和工序加工精度要求 选取相应的平面 圆面 曲面或组合表面作为定位基 准 定位元件工作表面的结构形状 必须与工件的定位基准面形状特点相适应 2 3 1 工件以平面定位工件以平面定位 工件以平面定位所用的定位元件 根据是否起限制自由度的作用和能否调整可分为以 下几种 1 主要支承主要支承 主要支承是指起限制自由度作用的支承 1 固定支承 属于固定支承的有各种支承钉和支承板 且它们的结